DE10228873A1 - Aqueous polyurethane dispersions - Google Patents
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Abstract
Wässrige Dispersionen, enthaltend ein Polyurethan, aufgebaut aus DOLLAR A a) Diisocyanaten, DOLLAR A b) Diolen, von denen DOLLAR A b¶1¶) 10 bis 100 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 500 bis 5000 aufweisen, und DOLLAR A b¶2¶) 0 bis 90 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 60 bis 500 g/Mol aufweisen, DOLLAR A c) von den Monomeren (a) und (b) verschiedene Monomere mit wenigstens einer Isocyanatgruppe oder wenigstens einer gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppe, die darüber hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine potentiell hydrophile Gruppe tragen, wodurch die Wasserdispergierbarkeit der Polyurethane bewirkt wird, DOLLAR A d) gegebenenfalls weiteren von den Monomeren (a) bis (c) verschiedenen mehrwertigen Verbindungen mit reaktiven Gruppen, bei denen es sich um alkoholische Hydroxylgruppen, primäre oder sekundäre Aminogruppen oder Isocyanatgruppen handelt und DOLLAR A e) gegebenenfalls von den Monomeren (a) bis (d) verschiedenen einwertigen Verbindung mit einer reaktiven Gruppe, bei der es sich um eine alkoholische Hydroxylgruppe, eine primäre oder sekundäre Aminogruppe oder eine Isocyanatgruppe handelt, DOLLAR A wobei die wässrigen Dispersionen zusätzlich 0,0005 bis 0,05 Mol, pro 100 g festes Polyurethan eines Salzes mehrbasiger Carbonsäuren der Alkalimetalle oder des Ammoniums enthalten, welches eine Molmasse von weniger als 1000 g/Mol aufweist.Aqueous dispersions containing a polyurethane composed of DOLLAR A a) diisocyanates, DOLLAR A b) diols, of which DOLLAR A b¶1¶) 10 to 100 mol%, based on the total amount of diols (b), a molecular weight of 500 to 5000, and DOLLAR A b¶2¶) 0 to 90 mol%, based on the total amount of diols (b), have a molecular weight of 60 to 500 g / mol, DOLLAR A c) of the monomers (a ) and (b) different monomers with at least one isocyanate group or at least one group which is reactive toward isocyanate groups and which additionally carry at least one hydrophilic group or a potentially hydrophilic group, thereby causing the water dispersibility of the polyurethanes, DOLLAR A d) optionally further of the monomers (a) to (c) various polyvalent compounds with reactive groups, which are alcoholic hydroxyl groups, primary or secondary amino groups or isocyanate groups, and DOLLAR A e) optionally v on the monomers (a) to (d) different monovalent compound with a reactive group, which is an alcoholic hydroxyl group, a primary or secondary amino group or an isocyanate group, DOLLAR A, the aqueous dispersions additionally 0.0005 to 0, 05 mol, per 100 g of solid polyurethane of a salt of polybasic carboxylic acids of alkali metals or ammonium, which has a molar mass of less than 1000 g / mol.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft wässrige Dispersionen, enthaltend ein Polyurethan, aufgebaut aus
- a) Diisocyanaten,
- b) Diolen, von denen
- b1) 10 bis 100 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 500 bis 5000 aufweisen, und
- b2) 0 bis 90 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 60 bis 500 g/mol aufweisen,
- c) von den Monomeren (a) und (b) verschiedene Monomere mit wenigstens einer Isocyanatgruppe oder wenigstens einer gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppe, die darüber hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine potentiell hydrophile Gruppe tragen, wodurch die Wasserdispergierbarkeit der Polyurethane bewirkt wird,
- d) gegebenenfalls weiteren von den Monomeren (a) bis (c) verschiedenen mehrwertigen Verbindungen mit reaktiven Gruppen, bei denen es sich um alkoholische Hydroxylgruppen, primäre oder sekundäre Aminogruppen oder Isocyanatgruppen handelt und
- e) gegebenenfalls von den Monomeren (a) bis (d) verschiedenen einwertigen Verbindungen mit einer reaktiven Gruppe, bei der es sich um eine alkoholische Hydroxylgruppe, eine primäre oder sekundäre Aminogruppe oder eine Isocyanatgruppe handelt,
wobei die wässrigen Dispersionen zusätzlich 0,0005 bis 0,05 mol, pro 100 g festes Polyurethan eines Salzes mehrbasiger Carbonsäuren der Alkalimetalle oder des Ammoniums enthalten, welches eine Molmasse von weniger als 1000 g/mol aufweist.The present invention relates to aqueous dispersions containing a polyurethane composed of
- a ) diisocyanates,
- b ) diols, of which
- b 1 ) 10 to 100 mol%, based on the total amount of diols (b), have a molecular weight of 500 to 5000, and
- b 2 ) 0 to 90 mol%, based on the total amount of diols (b), have a molecular weight of 60 to 500 g / mol,
- c) monomers different from the monomers (a) and (b) with at least one isocyanate group or at least one group which is reactive toward isocyanate groups and which additionally carry at least one hydrophilic group or a potentially hydrophilic group, thereby causing the water-dispersibility of the polyurethanes,
- d) optionally further polyvalent compounds with reactive groups which differ from the monomers (a) to (c) and which are alcoholic hydroxyl groups, primary or secondary amino groups or isocyanate groups and
- e) optionally monohydric compounds which differ from the monomers (a) to (d) and have a reactive group which is an alcoholic hydroxyl group, a primary or secondary amino group or an isocyanate group,
wherein the aqueous dispersions additionally contain 0.0005 to 0.05 mol, per 100 g of solid polyurethane of a salt of polybasic carboxylic acids of the alkali metals or ammonium, which has a molar mass of less than 1000 g / mol.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Beschichtung, Verklebung und Imprägnierung von Gegenständen aus unterschiedlichen Materialien mit diesen Dispersionen, die mit diesen Dispersionen beschichteten, verklebten und imprägnierten Gegenstände, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Dispersionen als Beschichtungsmaterialien.The invention further relates to Process for coating, gluing and impregnating objects different materials with these dispersions, with these Dispersions coated, glued and impregnated objects, as well the use of the dispersions according to the invention as coating materials.
Die Verwendung von wässerigen
Dispersionen, die Polyurethane enthalten zur Beschichtung von Substraten
wie Textil oder Leder ist seit langem bekannt (
Im Anschluss an die Umsetzung der einzelnen Monomere erfolgt dann die Dispergierung des entstandenen Polyurethans in Wasser. Die erhaltenen Dispersionen weisen häufig eine unerwünscht hohe Viskosität auf.Following the implementation of the Individual monomers are then dispersed Polyurethane in water. The dispersions obtained often have one undesirable high viscosity.
In der
Aus der
In der
Weiterhin läßt sich der
In keiner der aufgeführten Schriften wird beschrieben, wie die Viskosität der erhaltenen oder der verwendeten Polyurethan-Dispersionen modifiziert werden kann, ohne dabei deren sonstige Eigenschaften zu verändern.In none of the listed writings describes how the viscosity of the obtained or used Polyurethane dispersions can be modified without losing their to change other properties.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den geschilderten Nachteilen abzuhelfen und verbesserte PUR-Dispersionen zu entwickeln, deren Viskosität deutlich modifiziert werden kann, ohne dabei deren übrige Eigenschaften nachhaltig zu verändern, beispielsweise ohne deren Teilchengröße negativ zu beeinflussen. Weiterhin erstreckt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch auf die Herstellung von neuen PUR-Dispersionen mit höherem Feststoffgehalt, die noch gut verarbeitbar sind.The present invention was therefore based on the task of remedying the disadvantages described and to develop improved PU dispersions whose viscosity is clear can be modified without sustaining their other properties to change, for example without negatively affecting their particle size. Furthermore, the object of the present invention extends also on the production of new PUR dispersions with a higher solids content, that are still easy to process.
Demgemäß wurden die eingangs definierten wässrigen Dispersionen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gefunden. Weiterhin wurde ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen, Verklebungen und Imprägnierungen entwickelt. Weiterhin erstreckt sich die vorliegende Erfindung auch auf die so verklebten und beschichteten Gegenstände und deren Verwendung als hydrolysefeste Beschichtung.Accordingly, the aqueous dispersions defined at the outset and a process for their preparation have been found. Furthermore, a process for the production of coatings, bonds and impregnations was developed. Furthermore, the present invention extends to the glued and coated objects and their use as hydrolysis-resistant coating.
Die erfindungsgemäßen wässrigen Dispersionen enthalten Polyurethane, welche neben anderen Monomeren aus Diisocyanaten a) abgeleitet sind, wobei vorzugsweise solche Diisocyanate a) verwendet werden, die üblicherweise in der Polyurethanchemie eingesetzt werden.The aqueous dispersions according to the invention contain polyurethanes which, in addition to other monomers, are derived from diisocyanates a ) , preference being given to using those diisocyanates a ) which are customarily used in polyurethane chemistry.
Insbesondere zu nennen sind als Monomere (a) Diisocyanate X(NCO)2, wobei X für einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, einen cycloaliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen steht. Beispiele derartiger Diisocyanate sind Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat (HDI), Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1-Isocyanato-3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (IPDI), 2,2-Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)-propan, Trimethylhexandiisocyanat, 1,4-Diisocyanatobenzol, 2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan, 2,4'-Diisocyanato-diphenylmethan, p-Xylylendiisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), die Isomeren des Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)methans (HMDI) wie das trans/trans-, das cis/cis- und das cis/trans-Isomere sowie aus diesen Verbindungen bestehende Gemische.Particularly worth mentioning as monomers (a) are diisocyanates X (NCO) 2 , where X represents an aliphatic hydrocarbon radical having 4 to 12 carbon atoms, a cycloaliphatic or aromatic hydrocarbon radical having 6 to 15 carbon atoms or an araliphatic hydrocarbon radical having 7 to 15 carbon atoms. Examples of such diisocyanates are tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate (HDI), dodecamethylene diisocyanate, 1,4-diisocyanatocyclohexane, 1-isocyanato-3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI), 2,2-bis (4-isocyanatocyclohexyl) - propane, trimethylhexane diisocyanate, 1,4-diisocyanatobenzene, 2,4-diisocyanatotoluene, 2,6-diisocyanatotoluene, 4,4'-diisocyanato-diphenylmethane, 2,4'-diisocyanato-diphenylmethane, p-xylylene diisocyanate, tetramethylxylylene diisocyanate (TMXDI), the Isomers of bis (4-isocyanatocyclohexyl) methane (HMDI) such as the trans / trans, the cis / cis and the cis / trans isomers and mixtures consisting of these compounds.
Derartige Diisocyanate sind im Handel erhältlich.Such diisocyanates are commercially available available.
Als Gemische dieser Isocyanate sind besonders die Mischungen der jeweiligen Strukturisomeren von Diisocyanatotoluol und Diisocyanato-diphenylmethan von Bedeutung, insbesondere ist die Mischung aus 80 mol-% 2,4-Diisocyanatotoluol und 20 mol-% 2,6-Diisocyanatotoluol geeignet. Weiterhin sind die Mischungen von aromatischen Isocyanaten wie 2,4 Diisocyanatotoluol und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Isocyanaten wie Hexamethylendiisocyanat oder IPDI besonders vor teilhaft, wobei das bevorzugte Mischungsverhältnis der aliphatischen zu aromatischen Isocyanate 4 : 1 bis 1 : 4 beträgt.As mixtures of these isocyanates especially the mixtures of the respective structural isomers of diisocyanatotoluene and diisocyanato-diphenylmethane is of particular importance the mixture of 80 mol% 2,4-diisocyanatotoluene and 20 mol% 2,6-diisocyanatotoluene suitable. Furthermore, the mixtures of aromatic isocyanates such as 2,4 diisocyanatotoluene and / or 2,6-diisocyanatotoluene with aliphatic or cycloaliphatic isocyanates such as hexamethylene diisocyanate or IPDI particularly geous, with the preferred mixing ratio of aliphatic to aromatic isocyanates 4: 1 to 1: 4.
Zum Aufbau der Polyurethane kann man als Verbindungen außer den vorgenannten auch Isocyanate einsetzen, die neben den freien Isocyanatgruppen weitere verkappte Isocyanatgruppen, z.B. Uretdiongruppen tragen.To build the polyurethanes can one as connections except the aforementioned also use isocyanates, which in addition to the free Isocyanate groups further blocked isocyanate groups, e.g. Wear uretdione groups.
Im Hinblick auf gute Filmbildung und Elastizität kommen als Diole (b) vornehmlich höhermolekulare Diole (b1) in Betracht, die ein Molekulargewicht von etwa 500 bis 5000, vorzugsweise von etwa 1000 bis 3000 g/mol haben.With regard to good film formation and elasticity come as diols (b) primarily higher molecular weight diols (b1) Consider having a molecular weight of about 500 to 5000, preferably have from about 1000 to 3000 g / mol.
Bei den Diolen (b1) handelt es sich insbesondere um Polyesterpolyole, die z.B. aus Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, S. 62 bis 65 bekannt sind. Bevorzugt werden Polyesterpolyole eingesetzt, die durch Umsetzung von zweiwertigen Alkoholen mit zweiwertigen Carbonsäuren erhalten werden. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester von niederen Alkoholen oder deren Gemische zur Herstellung der Polyesterpolyole verwendet werden. Die Polycarbonsäuren können aliphatisch, cycloaliphatisch, araliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein und gegebenenfalls, z.B. durch Halogenatome, substituiert und/oder ungesättigt sein. Als Beispiele hierfür seien genannt: Korksäure, Azelainsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, dimere Fettsäuren. Bevorzugt sind Dicarbonsäuren der allgemeinen Formel HOOC-(CH2)y-COOH, wobei y eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist, z.B. Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure und Dodecandicarbonsäure.The diols (b1) are, in particular, polyester polyols which are known, for example, from Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, 4th edition, volume 19, pages 62 to 65. Polyester polyols are preferably used which are obtained by reacting dihydric alcohols with dihydric carboxylic acids. Instead of the free polycarboxylic acids, the corresponding polycarboxylic anhydrides or corresponding polycarboxylic esters of lower alcohols or their mixtures can also be used to prepare the polyester polyols. The polycarboxylic acids can be aliphatic, cycloaliphatic, araliphatic, aromatic or heterocyclic and optionally substituted, for example by halogen atoms, and / or unsaturated. Examples include: suberic acid, azelaic acid, phthalic acid, isophthalic acid, phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, tetrachlorophthalic anhydride, endomethylene tetrahydrophthalic anhydride, glutaric anhydride, maleic acid, maleic acid, fatty acid, maleic acid, maleic acid, fatty acid, maleic acid, maleic acid, fatty acid. Dicarboxylic acids of the general formula HOOC- (CH 2 ) y -COOH are preferred, where y is a number from 1 to 20, preferably an even number from 2 to 20, for example succinic acid, adipic acid, sebacic acid and dodecanedicarboxylic acid.
Als mehrwertige Alkohole kommen z.B. Ethylenglykol, Propan-l,2-diol, Propan-1,3-diol, Butan-1,3-diol, Buten-1,4-diol, Butin-l,4-diol, Pentan-l,5-diol, Neopentylglykol, Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexane wie 1,4-Bis-(hydroxymethyl)cyclohexan, 2-Methyl-propan-1,3-diol, Methylpentandiole, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol, Polypropylenglykol, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole in Betracht. Bevorzugt sind Alkohole der allgemeinen Formel HO-(CH2)x-OH, wobei x eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist. Beispiele hierfür sind Ethylenglycol, Butan-1,4-diol, Hexan-1,6-diol, Octan-l,8-diol und Dodecan-1,12-diol. Weiterhin bevorzugt ist Neopentylglykol.Examples of polyhydric alcohols are ethylene glycol, propane-1,2-diol, propane-1,3-diol, butane-1,3-diol, butene-1,4-diol, butyne-1,4-diol, pentane-1 , 5-diol, neopentyl glycol, bis (hydroxymethyl) cyclohexanes such as 1,4-bis (hydroxymethyl) cyclohexane, 2-methyl-propane-1,3-diol, methylpentanediols, furthermore diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, dipropylene glycol , Polypropylene glycol, dibutylene glycol and polybutylene glycols. Alcohols of the general formula HO- (CH 2 ) x -OH are preferred, where x is a number from 1 to 20, preferably an even number from 2 to 20. Examples include ethylene glycol, butane-1,4-diol, hexane-1,6-diol, octane-l, 8-diol and dodecane-1,12-diol. Neopentyl glycol is also preferred.
Ferner kommen auch Polycarbonat-Diole, wie sie z.B. durch Umsetzung von Phosgen mit einem Überschuß von den als Aufbaukomponenten für die Polyesterpolyole genannten niedermolekularen Alkohole erhalten werden können, in Betracht.Also come polycarbonate diols, such as by reacting phosgene with an excess of as structural components for the polyester polyols called low molecular weight alcohols can be into consideration.
Geeignet sind auch Polyesterdiole auf Lacton-Basis, wobei es sich um Homo- oder Mischpolymerisate von Lactonen, bevorzugt um endständige Hydroxylgruppen aufweisende Anlagerungsprodukte von Lactonen an geeignete difunktionelle Startermoleküle handelt. Als Lactone kommen bevorzugt solche in Betracht, die sich von Verbindungen der allgemeinen Formel HO-(CH2)z-COOH ableiten, wobei z eine Zahl von 1 bis 20 ist und ein H-Atom einer Methyleneinheit auch durch einen C1- bis C4-Alkylrest substituiert sein kann. Beispiele sind ε-Caprolacton, β-Propiolacton, γ-Butyrolacton und/oder Methyl-ε-caprolacton sowie deren Gemische. Geeignete Starterkomponenten sind z.B. die vorstehend als Aufbaukomponente für die Polyesterpolyole genannten niedermolekularen zweiwertigen Alkohole. Die entsprechenden Polymerisate des ε-Caprolactons sind besonders bevorzugt. Auch niedere Polyesterdiole oder Polyetherdiole können als Starter zur Herstellung der Lacton-Polymerisate eingesetzt sein. Anstelle der Polymerisate von Lactonen können auch die entsprechenden, chemisch äquivalenten Polykondensate der den Lactonen entsprechenden Hydroxycarbonsäuren, eingesetzt werden.Lactone-based polyester diols are also suitable, these being homopolymers or copolymers of lactones, preferably addition products of lactones with terminal hydroxyl groups onto suitable difunctional starter molecules. Suitable lactones are preferably those which are derived from compounds of the general formula HO- (CH 2 ) z -COOH, where z is a number from 1 to 20 and an H atom of a methylene unit also by a C 1 - to C 4 -alkyl radical may be substituted. Examples are ε-caprolactone, β-propiolactone, γ-butyrolactone and / or methyl-ε-caprolactone and mixtures thereof. Suitable starter components are, for example, the low molecular weight dihydric alcohols mentioned above as the structural component for the polyester polyols. The corresponding polymers of ε-caprolactone are particularly preferred. Lower polyester diols or polyether diols can also be used as starters for the preparation of the lactone polymers. Instead of the polymers of lactones, they can also correspond the chemically equivalent polycondensates of the hydroxycarboxylic acids corresponding to the lactones are used.
Daneben kommen als Monomere (b1) Polyetherdiole in Betracht. Sie sind insbesondere durch Polymerisation von Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid, Tetrahydrofuran, Styroloxid oder Epichlorhydrin mit sich selbst, z.B. in Gegenwart von BF3 oder durch Anlagerung dieser Verbindungen gegebenenfalls im Gemisch oder nacheinander, an Startkomponenten mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen, wie Alkohole oder Amine, z.B. Wasser, Ethylenglykol, Propan-1,2-diol, Propan-1,3-diol, 1,2-Bis(4-hydroxydiphenyl)-propan oder Anilin erhältlich. Besonders bevorzugt ist Polytetrahydrofuran eines Molekulargewichts von 240 bis 5000, und vor allem 500 bis 4500. Daneben können auch Mischungen aus Polyesterdiolen und Polyetherdiolen als Monomere (b1) eingesetzt werden.In addition, polyether diols are suitable as monomers (b1). They are in particular by polymerization of ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, tetrahydrofuran, styrene oxide or epichlorohydrin with themselves, for example in the presence of BF 3 or by addition of these compounds, if appropriate in a mixture or in succession, to starting components with reactive hydrogen atoms, such as alcohols or amines, for example Water, ethylene glycol, propane-1,2-diol, propane-1,3-diol, 1,2-bis (4-hydroxydiphenyl) propane or aniline are available. Polytetrahydrofuran with a molecular weight of 240 to 5000, and especially 500 to 4500, is particularly preferred. Mixtures of polyester diols and polyether diols can also be used as monomers (b1).
Ebenfalls geeignet sind Polyhydroxyolefine,
bevorzugt solche mit 2 endständigen
Hydroxylgruppen, z.B. α,-ω-Dihydroxypolybutadien, α,-ω-Dihydroxypolymethacrylester
oder α,-ω-Dihydroxypolyacrylester
als Monomere (c1). Solche Verbindungen sind beispielsweise aus der
Die Polyole können auch als Gemische im Verhältnis 0,1 : 1 bis 1 : 9 eingesetzt werden.The polyols can also be used as mixtures in a ratio of 0.1 : 1 to 1: 9 can be used.
Die Härte und der Elastizitätsmodul der Polyurethane lassen sich erhöhen, wenn als Diole (b) neben den Diolen (b1) noch niedermolekulare Diole (b2) mit einem Molekulargewicht von etwa 60 bis 500, vorzugsweise von 62 bis 200 g/mol, eingesetzt werden.The hardness and the modulus of elasticity the polyurethane can be increased if as diols (b) in addition to the diols (b1) also low molecular weight diols (b2) with a molecular weight of about 60 to 500, preferably from 62 to 200 g / mol.
Als Monomere (b2) werden vor allem die Aufbaukomponenten der für die Herstellung von Polyesterpolyolen genannten kurzkettigen Alkandiole eingesetzt, wobei Diole mit 2 bis 12 C-Atomen, unverzweigte Diole mit 2 bis 12 C-Atomen und einer gradzahligen Anzahl von C-Atomen sowie Pentan-l,5-diol und Neopentylglykol bevorzugt werden.Above all, as monomers (b2) the structural components of the for the production of short-chain alkane diols called polyester polyols used, with diols having 2 to 12 carbon atoms, unbranched diols with 2 to 12 carbon atoms and an even number of carbon atoms as well Pentane-1,5-diol and neopentyl glycol are preferred.
Bevorzugt beträgt der Anteil der Diole (b1), bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b) 10 bis 100 mol-% und der Anteil der Monomere (b2), bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b) 0 bis 90 mol-%. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der Diole (b1) zu den Monomeren (b2) 0,1 : 1 bis 5 : 1, besonders bevorzugt 0,2 : 1 bis 2 : 1.The proportion of diols (b1) is preferably based on the total amount of diols (b) 10 to 100 mol% and Proportion of monomers (b2), based on the total amount of diols (b) 0 to 90 mol%. The ratio of the diols (b1) to the is particularly preferably Monomers (b2) 0.1: 1 to 5: 1, particularly preferably 0.2: 1 to 2: 1.
Um die Wasserdispergierbarkeit der Polyurethane zu erreichen, sind die Polyurethane neben den Komponenten (a), (b) und gegebenenfalls (d) aus von den Komponenten (a), (b) und (d) verschiedenen Monomeren (c), die wenigstens eine Isocyanatgruppe oder wenigstens eine gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppe und darüberhinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine Gruppe, die sich in eine hydrophile Gruppe überführen läßt, tragen, aufgebaut. Im folgenden Text wird der Begriff "hydrophile Gruppen oder potentiell hydrophile Gruppen" mit "(potentiell) hydrophile Gruppen" abgekürzt. Die (potentiell) hydrophilen Gruppen reagieren mit Isocyanaten wesentlich langsamer als die funktionellen Gruppen der Monomere, die zum Aufbau der Polymerhauptkette dienen.To the water dispersibility of the To achieve polyurethanes, the polyurethanes are next to the components (a), (b) and optionally (d) from components (a), (b) and (d) various monomers (c) having at least one isocyanate group or at least one opposite Isocyanate group reactive group and moreover at least one hydrophilic Group or a group which can be converted into a hydrophilic group, built up. In the following text the term "hydrophilic groups or potentially hydrophilic Groups "with" (potentially) hydrophilic Groups ". The (Potentially) hydrophilic groups react significantly with isocyanates slower than the functional groups of the monomers that build up serve the main polymer chain.
Der Anteil der Komponenten mit (potentiell) hydrophilen Gruppen an der Gesamtmenge der Komponenten (a), (b), (c), (d) und (e) wird im allgemeinen so bemessen, daß die Molmenge der (potentiell) hydrophilen Gruppen, bezogen auf die Gewichtsmenge aller Monomere (a) bis (e), 30 bis 1000, bevorzugt 50 bis 500 und besonders bevorzugt 80 bis 300 mmol/kg beträgt.The proportion of components with (potentially) hydrophilic groups on the total amount of components (a), (b), (c), (d) and (e) is generally dimensioned so that the molar amount of the (potentially) hydrophilic groups, based on the amount by weight all monomers (a) to (e), 30 to 1000, preferably 50 to 500 and is particularly preferably 80 to 300 mmol / kg.
Bei den (potentiell) hydrophilen Gruppen kann es sich um nichtionische oder bevorzugt um (potentiell) ionische hydrophile Gruppen handeln. Es empfiehlt sich, insbesondere anionische hydrophile Gruppen zu verwenden.With the (potentially) hydrophilic Groups can be non-ionic or preferably (potentially) ionic act hydrophilic groups. It is recommended, especially anionic to use hydrophilic groups.
Als nichtionische hydrophile Gruppen kommen insbesondere Polyethylenglycolether aus vorzugsweise 5 bis 100, bevorzugt 10 bis 80 Ethylenoxid-Wiederholungseinheiten, in Betracht. Der Gehalt an Polyethylenoxid-Einheiten beträgt im allgemeinen 0 bis 10, bevorzugt 0 bis 6 Gew.-%, bezogen auf die Gewichtsmenge aller Monomere (a) bis (e) .As non-ionic hydrophilic groups polyethylene glycol ethers in particular come from preferably 5 to 100, preferably 10 to 80 repeating ethylene oxide units, in Consideration. The content of polyethylene oxide units is generally 0 to 10, preferably 0 to 6 wt .-%, based on the amount by weight of all Monomers (a) to (e).
Bevorzugte Monomere mit nichtionischen
hydrophilen Gruppen sind Polyethylenoxiddiole, Polyethylenoxidmonoole
sowie die Reaktionsprodukte aus einem Polyethylenglykol und einem
Diisocyanat, die eine endständig
veretherten Polyethylenglykolrest tragen. Derartige Diisocyanate
sowie Verfahren zu deren Herstellung sind in den Patentschriften
Ionische hydrophile Gruppen sind vor allem anionische Gruppen wie die Sulfonat-, die Carboxylat- und die Phosphatgruppe in Form ihrer Alkalimetall- oder Ammoniumsalze sowie kationische Gruppen wie Ammonium-Gruppen, insbesondere protonierte tertiäre Aminogruppen oder quartäre Ammoniumgruppen.Ionic are hydrophilic groups especially anionic groups such as the sulfonate, the carboxylate and the phosphate group in the form of its alkali metal or ammonium salts and cationic groups such as ammonium groups, especially protonated tertiary Amino groups or quaternary Ammonium groups.
Potentiell ionische hydrophile Gruppen sind vor allem solche, die sich durch einfache Neutralisations-, Hydrolyse- oder Quaternisierungsreaktionen in die oben genannten ionischen hydrophilen Gruppen überführen lassen, also z.B. Carbonsäuregruppen oder tertiäre Aminogruppen.Potentially ionic hydrophilic groups are primarily those that are easy to neutralize, hydrolysis or quaternization reactions in the above ionic have hydrophilic groups transferred, e.g. e.g. Carboxylic acid groups or tertiary Amino groups.
(Potentiell) ionische Monomere (c)
sind z.B. in Ullmanns Encyklopädie
der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, S. 311–313 und
beispielsweise in der
Als (potentiell) kationische Monomere (c) sind vor allem Monomere mit tertiären Aminogruppen von besonderer praktischer Bedeutung, beispielsweise: Tris-(hydroxyalkyl)-amine, N,N'-Bis(hydroxyalkyl)-alkylamine, N-Hydroxyalkyl-dialkylamine, Tris-(aminoalkyl)-amine, N,N'-Bis(aminoalkyl)-alkylamine, N-Aminoalkyl-dialkylamine, wobei die Alkylreste und Alkandiyl-Einheiten dieser tertiären Amine unabhängig voneinander aus 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bestehen. Weiterhin kommen tertiäre Stickstoffatome aufweisende Polyether mit vorzugsweise zwei endständigen Hydroxylgruppen, wie sie z.B. durch Alkoxylierung von zwei an Aminstickstoff gebundene Wasserstoffatome aufweisende Amine, z.B. Methyl amin, Anilin oder N,N'-Dimethylhydrazin, in an sich üblicher Weise zugänglich sind, in Betracht. Derartige Polyether weisen im allgemeinen ein zwischen 500 und 6000 g/mol liegendes Molgewicht auf .As (potentially) cationic monomers (c), monomers with tertiary amino groups are of particular practical importance, for example: tris (hydroxyalkyl) amines, N, N'-bis (hydroxyalkyl) alkylamines, N-hydroxyalkyl dialkylamines, tris - (aminoalkyl) amines, N, N'-bis (aminoalkyl) alkylamines, N-aminoal kyl-dialkylamines, the alkyl radicals and alkanediyl units of these tertiary amines independently of one another consisting of 1 to 6 carbon atoms. Also suitable are polyethers having tertiary nitrogen atoms and preferably having two terminal hydroxyl groups, such as are obtainable in a conventional manner, for example by alkoxylation of two amines having hydrogen atoms bonded to amine nitrogen, for example methyl amine, aniline or N, N'-dimethylhydrazine. Such polyethers generally have a molecular weight between 500 and 6000 g / mol.
Diese tertiären Amine werden entweder mit Säuren, bevorzugt starken Mineralsäuren wie Phosphorsäure, Schwefelsäure, Halogenwasserstoffsäuren oder starken organischen Säuren oder durch Umsetzung mit geeigneten Quaternisierungsmitteln wie C1- bis C6-Alkylhalogeniden oder Benzylhalogeniden, z.B. Bromiden oder Chloriden, in die Ammoniumsalze überführt.These tertiary amines are converted into the ammonium salts either with acids, preferably strong mineral acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, hydrohalic acids or strong organic acids, or by reaction with suitable quaternizing agents such as C 1 -C 6 -alkyl halides or benzyl halides, for example bromides or chlorides.
Als Monomere mit (potentiell) anionischen
Gruppen kommen üblicherweise
aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische oder aromatische
Carbonsäuren
und Sulfonsäuren
in Betracht, die mindestens eine alkoholische Hydroxylgruppe oder
mindestens eine primäre
oder sekundäre
Aminogruppe tragen. Bevorzugt sind Dihydroxyalkylcarbonsäuren, vor
allem mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, wie sie auch in der
Weiterhin eignen sich entsprechende Dihydroxysulfonsäuren und Dihydroxyphosphonsäuren wie 2,3-Dihydroxypropanphosphonsäure.Corresponding ones are also suitable dihydroxysulphonic and dihydroxyphosphonic acids such as 2,3-dihydroxypropanephosphonic acid.
Ansonsten geeignet sind Dihydroxylverbindungen
mit einem Molekulargewicht über
500 bis 10000 g/mol mit mindestens 2 Carboxylatgruppen, die aus
der
Als Monomere (c) mit gegenüber Isocyanaten
reaktiven Aminogruppen kommen Aminocarbonsäuren wie Lysin, β-Alanin oder
die in der
Solche Verbindungen gehorchen beispielsweise
der Formel (c2)
– R4 und
R5 unabhängig
voneinander für
eine C1- bis C6-Alkandiyl-Einheit,
bevorzugt Ethylen
und X für
COOH oder SO3H stehen.Such compounds obey, for example, the formula (c 2 )
- R 4 and R 5 independently of one another for a C 1 to C 6 alkanediyl unit, preferably ethylene
and X represents COOH or SO 3 H.
Besonders bevorzugte Verbindungen der Formel (c2) sind die N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethancarbonsäure sowie die N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethansulfonsäure bzw. die entsprechenden Alkalisalze, wobei Na als Gegenion besonders bevorzugt ist.Particularly preferred compounds of the formula (c 2 ) are the N- (2-aminoethyl) -2-aminoethane carboxylic acid and the N- (2-aminoethyl) -2-aminoethanesulfonic acid or the corresponding alkali metal salts, Na being particularly preferred as the counter ion.
Weiterhin bevorzugt sind die Addukte
der oben genannten aliphatischen diprimären Diamine an 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, wie
sie z.B. in der DE Patentschrift
Sofern Monomere mit potentiell ionischen Gruppen eingesetzt werden, kann deren Überführung in die ionische Form vor, während, jedoch vorzugsweise nach der Isocyanat-Polyaddition erfolgen, da sich die ionischen Monomeren in der Reaktionsmischung häufig nur schwer lösen. Besonders bevorzugt liegen die Sulfonat- oder Carboxylatgruppen in Form ihrer Salze mit einem Alkaliion oder einem Ammoniumion als Gegenion vor.If monomers with potentially ionic Groups can be used, their conversion into the ionic form before, during, however, preferably after the isocyanate polyaddition, because the ionic monomers in the reaction mixture often only difficult to solve. The sulfonate or carboxylate groups are particularly preferred in the form of their salts with an alkali ion or an ammonium ion as Counter ion.
Die Monomere (d), die von den Monomeren (a) bis (c) verschieden sind und welche gegebenenfalls auch Bestandteile des Polyurethans sind, dienen im allgemeinen der Vernetzung oder der Kettenverlängerung. Es sind im allgemeinen mehr als zweiwertige nichtphenolische Alkohole, Amine mit 2 oder mehr primären und/oder sekundären Aminogruppen sowie Verbindungen, die neben einer oder mehreren alkoholischen Hydroxylgruppen eine oder mehrere primäre und/oder sekundäre Aminogruppen tragen.The monomers (d) by the monomers (a) to (c) are different and which may also be constituents of the polyurethane are generally used for crosslinking or the chain extension. It are generally more than dihydric non-phenolic alcohols, Amines with 2 or more primary and / or secondary Amino groups as well as compounds in addition to one or more alcoholic Hydroxyl groups one or more primary and / or secondary amino groups wear.
Alkohole mit einer höheren Wertigkeit als 2, die zur Einstellung eines gewissen Verzweigungs- oder Vernetzungsgrades dienen können, sind z.B. Trimethylolpropan, Glycerin oder Zucker.Alcohols with a higher valency than 2, which is used to set a certain degree of branching or networking can serve are e.g. Trimethylolpropane, glycerin or sugar.
Ferner kommen Monoalkohole in Betracht, die neben der Hydroxyl-Gruppe eine weitere gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppe tragen wie Monoalkohole mit einer oder mehreren primären und/oder sekundären Aminogruppen, z.B. Monoethanolamin.Also suitable are mono alcohols the next to the hydroxyl group another versus isocyanates like mono alcohols carry reactive groups with one or more primary and / or secondary Amino groups, e.g. Monoethanolamine.
Polyamine mit 2 oder mehr primären und/oder sekundären Aminogruppen werden vor allem dann eingesetzt, wenn die Kettenverlängerung bzw. Vernetzung in Gegenwart von Wasser stattfinden soll, da Amine in der Regel schneller als Alkohole oder Wasser mit Isocyanaten reagieren. Das ist häufig dann erforderlich, wenn wässerige Dispersionen von vernetzten Polyurethanen oder Polyurethanen mit hohem Molgewicht gewünscht werden. In solchen Fällen geht man so vor, daß man Prepolymere mit Isocyanatgruppen herstellt, diese rasch in Wasser dispergiert und anschließend durch Zugabe von Verbindungen mit mehreren gegenüber Isocyanaten reaktiven Aminogruppen kettenverlängert oder vernetzt.Polyamines with 2 or more primary and / or secondary Amino groups are mainly used when the chain extension or crosslinking should take place in the presence of water, since amines usually faster than alcohols or water with isocyanates react. It is common required if watery Dispersions of cross-linked polyurethanes or with polyurethanes high molecular weight desired become. In such cases one proceeds in such a way that one Prepares prepolymers with isocyanate groups quickly in water dispersed and then by adding compounds with several amino groups reactive towards isocyanates chain extended or networked.
Hierzu geeignete Amine sind im allgemeinen polyfunktionelle Amine des Molgewichtsbereiches von 32 bis 500 g/mol, vorzugsweise von 60 bis 300 g/mol, welche mindestens zwei Aminogruppen, ausgewählt aus der Gruppe der primären und sekundären Aminogruppen, enthalten. Beispiele hierfür sind Diamine wie Diaminoethan, Diaminopropane, Diaminobutane, Diaminohexane, Piperazin, 2,5-Dimethylpiperazin, Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexan (Isophorondiamin, IPDA), 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, 1,4-Diaminocyclohexan, Aminoethylethanolamin, Hydrazin, Hydrazinhydrat oder Triamine wie Diethylentriamin oder 1,8-Diamino-4-aminomethyloctan.Suitable amines are generally polyfunctional amines in the molecular weight range from 32 to 500 g / mol, preferably from 60 to 300 g / mol, which have at least two amino groups, selected from the group of primary and secondary Amino groups included. Examples include diamines such as diaminoethane, Diaminopropanes, diaminobutanes, diaminohexanes, piperazine, 2,5-dimethylpiperazine, Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexane (isophoronediamine, IPDA), 4,4'-diaminodicyclohexylmethane, 1,4-diaminocyclohexane, aminoethylethanolamine, hydrazine, hydrazine hydrate or triamines such as diethylenetriamine or 1,8-diamino-4-aminomethyloctane.
Die Amine können auch in blockierter Form,
z.B. in Form der entsprechenden Ketimine (siehe z.B.
Bevorzugt werden Gemische von Di- und Triaminen verwendet, besonders bevorzugt Gemische von Isophorondiamin (IPDA) und Diethylentriamin (DETA).Mixtures of di- and triamines are used, particularly preferably mixtures of isophoronediamine (IPDA) and diethylene triamine (DETA).
Die Polyurethane enthalten bevorzugt 1 bis 30, besonders bevorzugt 4 bis 25 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Komponenten (b) und (d) eines Polyamins mit mindestens 2 gegenüber Isocyanaten reaktiven Aminogruppen als Monomere (d).The polyurethanes preferably contain 1 to 30, particularly preferably 4 to 25 mol%, based on the total amount of components (b) and (d) of a polyamine with at least 2 compared to isocyanates reactive amino groups as monomers (d).
Alkohole mit einer höheren Wertigkeit als 2, die zur Einstellung eines gewissen Verzweigungs- oder Vernetzungsgrades dienen können, sind z.B. Trimethylolpropan, Glycerin oder Zucker.Alcohols with a higher valency than 2, which is used to set a certain degree of branching or networking can serve are e.g. Trimethylolpropane, glycerin or sugar.
Für den gleichen Zweck können auch als Monomere (d) höher als zweiwertige Isocyanate eingesetzt werden. Handelsübliche Verbindungen sind beispielsweise das Isocyanurat oder das Biuret des Hexamethylendiisocyanats.For can do the same thing also higher than monomers (d) be used as divalent isocyanates. Commercially available connections are, for example, the isocyanurate or the biuret of hexamethylene diisocyanate.
Monomere (e), die gegebenenfalls mitverwendet werden, sind Monoisocyanate, Monoalkohole und monoprimäre und -sekundäre Amine. Im allgemeinen beträgt ihr Anteil maximal 10 mol-%, bezogen auf die gesamte Molmenge der Monomere. Diese monofunktionellen Verbindungen tragen üblicherweise weitere funktionelle Gruppen wie olefinische Gruppen oder Carbonylgruppen und dienen zur Einführung von funktionellen Gruppen in das Polyurethan, die die Dispergierung bzw. die Vernetzung oder weitere polymeranaloge Umsetzung des Polyurethans ermöglichen. In Betracht kommen hierfür Monomere wie Isopropenyl-α,α-dimethylbenzylisocyanat (TMI) und Ester von Acryl- oder Methacrylsäure wie Hydroxyethylacrylat oder Hydroxyethylmethacrylat.Monomers (e), if appropriate are also used are monoisocyanates, monoalcohols and monoprimary and secondary amines. Generally is their proportion not more than 10 mol%, based on the total molar amount of Monomers. These monofunctional compounds usually carry further functional groups such as olefinic groups or carbonyl groups and serve as an introduction of functional groups in the polyurethane that the dispersion or the crosslinking or further polymer-analogous implementation of the polyurethane enable. Consider this Monomers such as isopropenyl-α, α-dimethylbenzyl isocyanate (TMI) and esters of acrylic or methacrylic acid such as hydroxyethyl acrylate or hydroxyethyl methacrylate.
Überzüge mit einem besonders guten Eigenschaftsprofil erhält man vor allem dann, wenn als Monomere (a) im wesentlichen nur aliphatische Diisocyanate, cycloaliphatische Diisocyanate oder TMXDI und als Monomer (b1) im wesentlichen nur Polyesterdiole, aufgebaut aus den genannten aliphatischen Diolen und Disäuren, eingesetzt werden.Coats with one you get a particularly good property profile when essentially only aliphatic diisocyanates as monomers (a), cycloaliphatic diisocyanates or TMXDI and as monomer (b1) in essentially only polyester diols, built up from the aliphatic mentioned Diols and diacids, be used.
Diese Monomerkombination wird in hervorragender Weise ergänzt als Komponente (c) durch Diaminosäure-Salze; ganz besonders durch die N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethansulfonsäure, die N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethancarbonsäure bzw. ihre entsprechenden Alkalisalze, wobei die Na-Salze am besten geeignet sind, und eine Mischung von DETA/IPDA als Komponente (d).This combination of monomers is used in excellently complemented as component (c) by diamino acid salts; especially through the N- (2-aminoethyl) -2-aminoethanesulfonic acid, the N- (2-aminoethyl) -2-aminoethane carboxylic acid or their corresponding alkali salts, the Na salts being the most suitable, and a mixture of DETA / IPDA as component (d).
Auf dem Gebiet der Polyurethanchemie ist allgemein bekannt, wie das Molekulargewicht der Polyurethane durch Wahl der Anteile der miteinander reaktiven Monomere sowie dem arithmetischen Mittel der Zahl der reaktiven funktionellen Gruppen pro Molekül eingestellt werden kann.In the field of polyurethane chemistry is generally known, such as the molecular weight of the polyurethanes by choosing the proportions of the monomers reactive with one another and the arithmetic mean of the number of reactive functional groups per molecule can be adjusted.
Normalerweise werden die Komponenten (a) bis (e) sowie ihre jeweiligen Molmengen so gewählt, daß das Verhältnis A : B mit
- A) der Molmenge an Isocyanatgruppen und
- B) der Summe aus der Molmenge der Hydroxylgruppen und der Molmenge der funktionellen Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion reagieren können
0,5 : 1 bis 2 : 1, bevorzugt 0,8 : 1 bis 1,5, besonders bevorzugt 0,9 : 1 bis 1,2 : 1 beträgt. Ganz besonders bevorzugt liegt das Verhältnis A : B möglichst nahe an 1 : 1.Components (a) to (e) and their respective molar amounts are normally chosen so that the ratio A: B with
- A) the molar amount of isocyanate groups and
- B) the sum of the molar amount of the hydroxyl groups and the molar amount of the functional groups which can react with isocyanates in an addition reaction
0.5: 1 to 2: 1, preferably 0.8: 1 to 1.5, particularly preferably 0.9: 1 to 1.2: 1. The ratio A: B is very particularly preferably as close as possible to 1: 1.
Die eingesetzten Monomere (a) bis (e) tragen im Mittel üblicherweise 1,5 bis 2,5, bevorzugt 1,9 bis 2,1, besonders bevorzugt 2,0 Isocyanatgruppen bzw. funktionelle Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion reagieren können.The monomers (a) to (e) usually wear on average 1.5 to 2.5, preferably 1.9 to 2.1, particularly preferably 2.0 isocyanate groups or functional groups with isocyanates in an addition reaction can react.
Die Polyaddition der Komponenten (a) bis (e) zur Herstellung des im den erfindungsgemäßen wässrigen Dispersionen vorliegenden Polyurethans kann bei Reaktionstemperaturen von 20 bis 180°C, bevorzugt 70 bis 150°C unter Normaldruck oder unter autogenem Druck erfolgen.The polyaddition of the components (a) to (e) for the preparation of the aqueous in the invention Dispersions of present polyurethane can at reaction temperatures from 20 to 180 ° C, preferably 70 to 150 ° C under normal pressure or under autogenous pressure.
Die erforderlichen Reaktionszeiten liegen üblicherweise im Bereich von 1 bis 20 Stunden, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 10 Stunden. Es ist auf dem Gebiet der Polyurethanchemie bekannt, wie die Reaktionszeit durch eine Vielzahl von Parametern wie Temperatur, Konzentration der Monomere, Reaktivität der Monomeren beeinflußt wird.The required response times are usually in the range of 1 to 20 hours, especially in the range of 1.5 up to 10 hours. It’s known in the field of polyurethane chemistry like the response time through a variety of parameters like temperature, Concentration of the monomers, reactivity of the monomers is influenced.
Die Umsetzung, d.h. die Polyaddition der Monomere a), b), c) sowie gegebenenfalls d) und e) zur Herstellung der erfindungsgemäßen PUR-Dispersionen kann mit Hilfe von organischen oder von metallorganischen Verbindungen katalysiert werden. Geeignete organometallische Verbindungen sind u.a. Dibutylzinndilaurat, Zinn-II-octanoat oder Diazobicyclo-(2,2,2)-octan. Weitere geeignete Katalysatoren der Umsetzung der Monomere a), b) und c) sowie gegebenenfalls d) und e) sind auch Salze des Cäsiums, insbesondere Cäsiumcarboxylate.The reaction, ie the polyaddition of the monomers a ) , b ) , c ) and, if appropriate, d ) and e ) for the preparation of the PU dispersions according to the invention, can be catalyzed with the aid of organic or organometallic compounds. Suitable organometallic compounds include dibutyltin dilaurate, stannous octanoate or diazobicyclo (2,2,2) octane. Other suitable catalysts for the reaction of monomers a), b) and c) and optionally d) and e) are also salts of cesium, in particular cesium carboxylates.
Als Polymerisationsapparate zur Durchführung der Polyaddition kommen Rührkessel in Betracht, insbesondere dann, wenn durch Mitverwendung von Lösungsmitteln für eine niedrige Viskosität und eine gute Wärmeabfuhr gesorgt ist.As polymerizers for carrying out the Polyaddition come stirred kettles into consideration, especially when using solvents for one low viscosity and good heat dissipation is taken care of.
Bevorzugte Lösungsmittel sind mit Wasser unbegrenzt mischbar, weisen einen Siedepunkt bei Normaldruck von 40 bis 100°C auf und reagieren nicht oder nur langsam mit den Monomeren.Preferred solvents are with water infinitely miscible, boiling point at normal pressure of 40 to 100 ° C and do not react or react only slowly with the monomers.
Meistens werden die Dispersionen
nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:
Nach dem "Acetonverfahren" wird in einem mit
Wasser mischbaren und bei Normaldruck unter 100°C siedenden Lösungsmittel
aus den Komponenten (a) bis (c) ein ionisches Polyurethan hergestellt.
Es wird soviel Wasser zugegeben, bis sich eine Dispersion bildet,
in der Wasser die kohärente
Phase darstellt.Most of the time, the dispersions are made by one of the following methods:
According to the "acetone process", an ionic polyurethane is produced from components (a) to (c) in a water-miscible solvent which boils at 100 ° C. under normal pressure. Sufficient water is added until a dispersion is formed in which water is the coherent phase.
Das "Prepolymer-Mischverfahren" unterscheidet sich vom Acetonverfahren darin, daß nicht ein ausreagiertes (potentiell) ionisches Polyurethan, sondern zunächst ein Prepolymer hergestellt wird, das Isocyanat-Gruppen trägt. Die Komponenten werden hierbei so gewählt, daß das definitionsgemäße Verhältnis A : B größer 1,0 bis 3, bevorzugt 1,05 bis 1,5 beträgt. Das Prepolymer wird zuerst in Wasser dispergiert und anschließend gegebenenfalls durch Reaktion der Isocyanat-Gruppen mit Aminen, die mehr als 2 gegenüber Isocyanaten reaktive Aminogruppen tragen, vernetzt oder mit Aminen, die 2 gegenüber Isocyanaten reaktive Aminogruppen tragen, kettenverlängert. Eine Kettenverlängerung findet auch dann statt, wenn kein Amin zugesetzt wird. In diesem Fall werden Isocyanatgruppen zu Aminogruppen hydrolysiert, die mit noch verbliebenen Isocyanatgruppen der Prepolymere unter Kettenverlängerung abreagieren.The "prepolymer mixing process" differs of the acetone process in that not a fully reacted (potentially) ionic polyurethane, but first one Prepolymer is produced that carries isocyanate groups. The Components are chosen so that the definition A : B greater than 1.0 to 3, preferably 1.05 to 1.5. The prepolymer comes first dispersed in water and then optionally by reaction of isocyanate groups with amines that are more than 2 versus isocyanates carry reactive amino groups, crosslinked or with amines, the 2 towards isocyanates wear reactive amino groups, chain extended. A chain extension also takes place when no amine is added. In this In this case, isocyanate groups are hydrolyzed to amino groups remaining isocyanate groups of the prepolymers with chain extension react.
Üblicherweise wird, falls bei der Herstellung des Polyurethans ein Lösungsmittel mitverwendet wurde, der größte Teil des Lösungsmittels aus der Dispersion entfernt, beispielsweise durch Destillation bei vermindertem Druck. Bevorzugt weisen die Dispersionen einen Lösungsmittelgehalt von weniger als 10 Gew.-% auf und sind besonders bevorzugt frei von Lösungsmitteln.Usually if a solvent is used in the production of the polyurethane was used, the largest part of the solvent removed from the dispersion, for example by distillation reduced pressure. The dispersions preferably have a solvent content of less than 10% by weight and are particularly preferably free of solvents.
Die Dispersionen haben im allgemeinen einen Feststoffgehalt von 10 bis 75, bevorzugt von 20 bis 65 Gew.-% und eine Viskosität von 10 bis 1500 m Pas (gemessen bei einer Temperatur von 20°C und einer Schergeschwindigkeit von 250 s-1).The dispersions generally have a solids content of 10 to 75, preferably 20 to 65% by weight and a viscosity of 10 to 1500 m Pas (measured at a temperature of 20 ° C. and a shear rate of 250 s -1 ).
Hydrophobe Hilfsmittel, die unter
Umständen
nur schwierig homogen in der fertigen Dispersion zu verteilen sind
wie beispielsweise Phenol-Kondensationsharze aus Aldehyden und Phenol
bzw. Phenolderivaten oder Epoxidharze und weitere z.B. in der
Die Polyurethan-Dispersionen können handelsübliche Hilfs- und Zusatzstoffe wie Treibmittel, Entschäumer, Emulgatoren, Verdickungsmittel und Thixotropiermittel, Farbmittel wie Farbstoffe und Pigmente enthalten.The polyurethane dispersions can be commercially available auxiliary and additives such as blowing agents, defoamers, emulsifiers, thickeners and thixotropic agents, colorants such as dyes and pigments.
Erfindungsgemäß weist die wässrige Dispersion zusätzlich 0,0005 bis 0,05 mol, insbesondere 0,001 bis 0,01 mol, pro 100 g festes Polyurethan eines Salzes mehrbasiger Carbonsäuren der Alkalimetalle oder des Ammoniums auf. Dabei empfiehlt es sich, u.a. halbneutralisierte mehrbasige Carbonsäuren der Alkalimetalle oder des Ammoniums zu verwenden.According to the invention, the aqueous dispersion additionally 0.0005 to 0.05 mol, in particular 0.001 to 0.01 mol, per 100 g solid polyurethane of a salt of polybasic carboxylic acids Alkali metals or ammonium. It is recommended that semi-neutralized polybasic carboxylic acids of the alkali metals or of ammonium.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um Natrium-, Kalium-, Rubidium-, Cäsium- oder Ammonium-Salze mehrbasiger organischer Carbonsäure, welche in verdünnter wässriger Lösung einen pH-Wert von 3 bis 6 aufweisen.This is preferably the case more basic with sodium, potassium, rubidium, cesium or ammonium salts organic carboxylic acid, which in diluted aqueous solution have a pH of 3 to 6.
Geeignete mehrbasige organische Carbonsäuren sind u.a. Adipinsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Phthalsäure in allen isomeren Formen, Maleinsäure, Fumarsäure, Weinsäure, Citronensäure oder aber ein technisches Dicarbonsäuregemisch (beispielsweise Pripol) sowie sogenannte niedermolekulare Polyester mit Carbonsäuregruppen und Molmassen unterhalb von 1000.Suitable polybasic organic carboxylic acids include adipic acid, malonic acid, succinic acid, phthalic acid in all isomeric forms, maleic acid, fumaric acid, tartaric acid, citric acid or a technical mixture of dicarboxylic acids (for example Pripol) and so-called low molecular weight polyesters Carboxylic acid groups and molecular weights below 1000.
Besonders bevorzugt sind dabei insbesondere Alkalisalze oder Ammoniumsalze, insbesondere Natrium- oder Kaliumsalze der Phthalsäure oder der Adipinsäure, insbesondere Kaliumhydrogenphthalat, Kaliumhydrogenadipat oder Natriumhydrogenadipat.Are particularly preferred Alkali salts or ammonium salts, especially sodium or potassium salts phthalic acid or adipic acid, especially potassium hydrogen phthalate, potassium hydrogen adipate or sodium hydrogen adipate.
Nach einem ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan-Dispersionen werden nach der Umsetzung der Monomere a), b) und c) sowie gegebenenfalls d) und e) zum Polyurethan bereits während oder nach der Dispergierung des entstandenen Polyurethans in Wasser, der wässrigen Polyurethan-Dispersion zusätzlich 0,0005 bis 0,05 mol pro 100 g festes Polyurethan, eines Salzes mehrbasiger Carbonsäuren der Alkali salze oder des Ammoniums hinzugefügt, wobei diese Salze vorzugsweise eine Molmasse von weniger als 1000 g/mol aufweisen.According to a method also according to the invention for the production of the polyurethane dispersions according to the invention are after the reaction of the monomers a), b) and c) and optionally d) and e) to the polyurethane already during or after the dispersion the resulting polyurethane in water, the aqueous polyurethane dispersion additionally 0.0005 to 0.05 mol per 100 g of solid polyurethane, a salt of multi-base carboxylic acids the alkali salts or ammonium added, these salts being preferred have a molecular weight of less than 1000 g / mol.
Nach einem anderen ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan-Dispersionen erfolgt die Zugabe der Salze mehrbasiger Carbonsäuren der Alkalimetalle oder des Ammoniums bereits vor der Dispergierung des entstandenen Polyurethans in Wasser.According to another method according to the invention for the production of the polyurethane dispersions according to the invention the addition of the salts of polybasic carboxylic acids of the alkali metals or Ammonium before the resulting polyurethane is dispersed in water.
Erfolgt der Zusatz der Salze mehrbasiger Carbonsäuren in die Dispersion, also vor, während oder nach der Dispergierung, so empfiehlt es sich, diese in Form 0,05 bis 0,1 n wässriger Lösungen zuzusetzen.If the salts are added in a multi-base carboxylic acids into the dispersion, i.e. before, during or after dispersion, it is recommended to shape this 0.05 to 0.1 N more aqueous solutions add.
Werden die Salze mehrbasiger Carbonsäuren zur Dispergierung verwendet, so können diese auch direkt im Dispergierwasser gelöst werden.Are the salts of polybasic carboxylic acids Dispersion used, so can these can also be dissolved directly in the dispersing water.
Die erfindungsgemäßen Dispersionen eignen sich zur Beschichtung von Gegenständen aus Metall, Kunststoff, Papier, Textil, Leder oder Holz, indem man sie nach den allgemein üblichen Verfahren, also z.B. durch Sprühen oder Rakeln in Form eines Films auf diese Gegenstände aufträgt und die Dispersion trocknet.The dispersions according to the invention are suitable for coating objects made of metal, plastic, paper, textile, leather or wood by them according to the common practice Process, e.g. by spraying or squeegees in the form of a film on these objects and the Dispersion dries.
Insbesondere sind die Dispersionen zur Beschichtung von Gegenständen aus Kunststoff, Papier, Textil oder Leder geeignet, wenn man zuvor die Dispersion nach bekannten Verfahren zu einem Schaum aufschlägt und mit diesem beschichtet.In particular, the dispersions for coating objects made of plastic, paper, textile or leather if you have previously the dispersion turns into a foam by known methods and with this coated.
Die wässrigen Dispersionen eignen
sich vor allem für
die Herstellung von Zubereitungen, wie sie in der
Zur Herstellung der beschichteten Textilien oder Vliese werden die erfindungsgemäßen wässerigen Dispersionen nach üblichen Verfahren auf die textilen Trägermaterialien aufgetragen, z.B. durch rakeln oder streichen und das beschichtete Trägermaterial anschließend getrocknet.To produce the coated The aqueous dispersions according to the invention are textiles or nonwovens according to customary methods Process on the textile carrier materials applied, e.g. by squeegee or paint and the coated support material subsequently dried.
Gegenstände aus Metall, Kunststoff, Papier, Leder oder Holz lassen sich ebenfalls mit anderen Gegenständen, vorzugsweise den vorgenannten Gegenständen, verkleben, indem man die erfindungsgemäße wässerige Dispersion in Form eines Films auf einem dieser Gegenstände aufträgt und ihn vor oder nach dem Trocknen des Films mit einem anderen Gegenstand zusammenfügt.Objects made of metal, plastic, Paper, leather or wood can also be mixed with other items, preferably the aforementioned objects, glue by forming the aqueous dispersion of the invention a film on one of these objects and apply it before or after drying of the film with another object.
Gegenstände aus Textil, Leder oder Papier lassen sich mit den erfindungsgemäßen Dispersionen imprägnieren, indem man diese Gegenstände mit der wässerigen Dispersion tränkt und anschließend trocknet.Articles made of textile, leather or Paper can be impregnated with the dispersions according to the invention, by looking at these items with the watery Dispersion soaks and subsequently dries.
Die Viskosität der erfindungsgemäßen wässrigen Polyurethan-Dispersionen läßt sich leicht und sehr deutlich modifizieren, ohne daß dabei deren übrige Eigenschaften nachhaltig verändert werden. Das ebenfalls erfindungsgemäße Verfahren führt ohne großen technischen Aufwand, lediglich unter Verwendung spezieller Salze mehrbasiger Carbonsäuren, zu wässrigen Polyurethan-Dispersionen mit gut einstellbarer Viskosität.The viscosity of the aqueous Polyurethane dispersions can be modify easily and very clearly without losing their other properties changed sustainably become. The method according to the invention also performs without huge technical effort, only using special salts polybasic carboxylic acids, too watery Polyurethane dispersions with easily adjustable viscosity.
Experimenteller Teilexperimental part
Beispiel 1: Carboxylatstabilisierte Polyurethan-DispersionExample 1: Carboxylate Stabilized Polyurethane dispersion
600 g p THF 2000 werden mit 0,25 g DBTL, 40,2 g DMPA und 155,6 g IPDI in 80 g Aceton bei 65°C und 0,8 bar Druck 4 h 20 min umgesetzt. Dann wird mit 520 g Aceton verdünnt und auf 30°C abgekühlt. Der NCO-Gehalt beträgt 0,9%. Es wird mit 30,4 g Triethylamin neutralisiert und mit 1000 g Wasser dispergiert. Das Aceton wird im Vakuum bei Temperaturen bis 42°C abdestilliert und die Dispersion auf 43,8% Feststoff eingestellt. Sie hat eine Viskosität von 1060 mPas, pH = 7,8.600 g p THF 2000 with 0.25 g DBTL, 40.2 g DMPA and 155.6 g IPDI in 80 g acetone at 65 ° C and 0.8 bar pressure 4 h 20 min implemented. Then it is diluted with 520 g of acetone and to 30 ° C cooled. The NCO content is 0.9%. It is neutralized with 30.4 g of triethylamine and with 1000 g of water dispersed. The acetone is vacuumed at temperatures up to 42 ° C distilled off and the dispersion adjusted to 43.8% solids. It has a viscosity of 1060 mPas, pH = 7.8.
Beispiel 2: Carboxylatstabilisierte Polyurethan-DispersionExample 2: Carboxylate Stabilized Polyurethane dispersion
Das Beispiel 1 wird wiederholt und die Dispersion auf 45% eingestellt. Viskosität: 1260 mPas, pH = 8,0.Example 1 is repeated and the dispersion was set to 45%. Viscosity: 1260 mPas, pH = 8.0.
Beispiel 3: Sulfonatstabilisierte Polyurethan-DispersionExample 3: Sulfonate stabilized Polyurethane dispersion
728 g eines Polyesterdiols aus Adipinsäure und Butandiol-1,4 (OHZ = 46) werden mit 0,15 g DBTL und 90 g IPDI in 290 g Aceton bei 60°C und 0,5 bar umgesetzt. Nach 5 h wird mit 700 g Aceton verdünnt und auf 50°C abgekühlt. Der NCO-Gehalt beträgt 0,57%. Es wird mit 38,7 g einer 50%igen wässrigen Lösung des Aminoethanaminoethylsulfonsäure-Natrium-Salzes 10 min lang kettenverlängert, dabei mit 40 g Wasser verdünnt und dann mit 800 g VE-Wasser dispergiert. Das Aceton wird im Vakuum bei Temperaturen bis 42°C abdestilliert und die Dispersion auf 52% Feststoff eingestellt. Sie hat eine Viskosität von 414 mPas, pH = 6,6.728 g of a polyester diol composed of adipic acid and 1,4-butanediol (OHZ = 46) are reacted with 0.15 g DBTL and 90 g IPDI in 290 g acetone at 60 ° C. and 0.5 bar. After 5 h, the mixture is diluted with 700 g of acetone and cooled to 50 ° C. The NCO content is 0.57%. It is mixed with 38.7 g of a 50% aqueous solution of Ami Noethanaminoethylsulfonic acid sodium salt chain extended for 10 min, diluted with 40 g water and then dispersed with 800 g demineralized water. The acetone is distilled off in vacuo at temperatures up to 42 ° C. and the dispersion is adjusted to 52% solids. It has a viscosity of 414 mPas, pH = 6.6.
Beispiel 4–7: Example 4-7:
Die Polyurethan-Dispersion aus Beispiel 1 wurde mit VE-Wasser auf einen Feststoffgehalt von 40% oder 35% eingestellt. Im Vergleich dazu wurde mit verschiedenen Pufferlösungen eingestellt.The polyurethane dispersion from example 1 was with deionized water to a solids content of 40% or 35% set. In comparison, different buffer solutions were used.
In den folgenden Beispielen wird die Wirkung der erfindungsgemäßen Pufferlösungen mit der Wirkung anderer Salze verglichen.In the following examples the effect of the buffer solutions according to the invention compared to the effects of other salts.
Verwendete Abkürzungen:
- THF:
- Tetrahydrofuran
- DBTL:
- Dibutylzinndilaurat
- DMPA:
- Dimethylolpropionsäure
- IPDI:
- 1-Isocyanato-3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan
- NCO:
- Isocyanat
- FG:
- Feststoffgehalt
- K:
- Kalium
- Na:
- Natrium
- THF:
- tetrahydrofuran
- DBTL:
- dibutyltindilaurate
- DMPA:
- dimethylolpropionic
- IPDI:
- 1-isocyanato-3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane
- NCO:
- isocyanate
- FG:
- Solids content
- K:
- potassium
- N / A:
- sodium
Die Viskosität wurde in einem Physica Rheomat Viskolab LC 10 bei 23°C und 250 s1 gemessen.The viscosity was measured in a Physica Rheomat Viskolab LC 10 at 23 ° C and 250 s 1 .
Die Teilchengröße wurde mit dem Malvern Autosizern 2C gemessen.The particle size was measured using the Malvern Autosizer 2C measured.
Beispiele 15–19 beschreiben das Verhalten einer sulfonatstabilisierten Polyurethan-Dispersion.Examples 15-19 describe the behavior a sulfonate stabilized polyurethane dispersion.
Beispiel 20: Example 20:
Herstellung einer Polyurethan-Dispersion unter Verwendung von 0,05 n K-Hydrogenphthalatlösung.Production of a polyurethane dispersion using 0.05N K hydrogen phthalate solution.
Die Dispersion aus Beispiel 2 wird wiederholt. Nach der Neutralisation werden zum Dispergieren 500 g 0,05 n Kaliumhydrogenphthalatlösung zugesetzt und mit 250 g VE-Wasser weiterdispergiert. Das Aceton wird im Vakuum bei Temperaturen bis 42°C abdestilliert und die Dispersion auf 45% Feststoff eingestellt. Sie hat eine Viskosität von 250 mPas, pH = 7,7.The dispersion from Example 2 is repeated. After neutralization, 500 g 0.05N potassium hydrogen phthalate solution added and further dispersed with 250 g of demineralized water. The acetone will in a vacuum at temperatures up to 42 ° C distilled off and the dispersion adjusted to 45% solids. It has a viscosity of 250 mPas, pH = 7.7.
Aus den dargestellten Ergebnissen geht hervor, daß in den erfindungsgemäßen Beispielen 5, 7, 9, 10 und 11 im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 4, 6, 8, 12, 13 und 14 bei gleicher Teilchengröße die Viskosität deutlich abgesenkt werden kann.From the results presented shows that in the examples according to the invention 5, 7, 9, 10 and 11 in comparison to comparative examples 4, 6, 8, 12, 13 and 14 with the same particle size the viscosity clearly can be lowered.
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